科學(xué)家首次揭示300公里深處地幔中富鎳合金的自然證據(jù)

地球的地幔是一個不安分、神秘的動力源，驅(qū)動著火山活動，循環(huán)地殼物質(zhì)，并調(diào)節(jié)著地球的長期演化。但它最難捉摸的特征之一——氧化還原狀態(tài)，或氧化態(tài)和還原態(tài)的化學(xué)物質(zhì)的平衡——至今仍難以直接測量。

由耶路撒冷希伯來大學(xué)地球科學(xué)研究所的雅埃爾·肯佩和雅科夫·韋斯領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究，讓我們得以窺見這些深層過程，這些過程被記錄在來自南非沃斯普德礦的鉆石中的納米和微觀包裹體里。該研究已經(jīng)在期刊 自然地球科學(xué) 上 發(fā)表。

幾十年來，研究模型和高壓實驗表明，富鎳金屬合金應(yīng)該在大約250-300公里的深度在地幔中穩(wěn)定。然而，能夠確認(rèn)這些預(yù)測的自然樣本卻非常稀少。

與內(nèi)華達(dá)大學(xué)、劍橋大學(xué)和希伯來大學(xué)納米中心的同事合作，韋斯團隊現(xiàn)在已經(jīng)在地球表面下280-470公里形成的鉆石中識別出鎳鐵金屬納米包裹體和富鎳碳酸鹽微包裹體。這些包裹體代表了在其預(yù)測深度發(fā)現(xiàn)富鎳合金的首次直接證據(jù)——這為地幔氧化還原模型提供了長期以來的驗證。

這些鉆石的礦物載荷還包括方石英、富鉀鋁相和分子固體氮包裹體，提供了多個壓力標(biāo)記，堅實地確定了它們的來源于深上地幔和淺過渡區(qū)。

凍結(jié)在碳中的氧化還原快照

這一發(fā)現(xiàn)的意義不僅僅是對理論模型的簡單確認(rèn)。鎳鐵合金和富鎳碳酸鹽的共存表明了一種變質(zhì)氧化還原凍結(jié)反應(yīng)——一種動態(tài)相互作用，其中氧化的碳酸鹽-硅酸熔體滲透到還原的含金屬橄欖巖中。這與來自較淺深度的早期證據(jù)結(jié)合起來，表明這是天然鉆石形成的主要方式。

在這種環(huán)境中，鐵相對于鎳的優(yōu)先氧化導(dǎo)致殘余合金中鎳的富集。同時，富含鎳的碳酸鹽和鉆石從熔體中結(jié)晶。實際上，這些鉆石凍結(jié)了一個瞬間的地球化學(xué)時刻：將還原的地幔巖石轉(zhuǎn)變?yōu)楦趸?、富含揮發(fā)物的區(qū)域，并將碳酸鹽還原為鉆石。

“這是地幔化學(xué)過程中的一個罕見快照，”韋斯說?！斑@些鉆石就像小小的時間膠囊，保存了一個如果不這樣就會隨著礦物與周圍環(huán)境重新平衡而消失的反應(yīng)?！?/p>

對地幔動力學(xué)和巖漿作用的影響

這些發(fā)現(xiàn)具有重要意義。如果局部的變質(zhì)反應(yīng)定期氧化地幔的一小部分，這可能有助于解釋為什么其他超深鉆石中的一些包裹體記錄了意外的高氧化條件。

這些過程還揭示了富含揮發(fā)分的巖漿的起源。在這些氧化還原事件中，地幔橄欖巖中碳酸鹽、鉀和不相容元素的富集可能為后來的金伯利巖、巖脈巖，甚至一些海洋島玄武巖的形成打下基礎(chǔ)。

也就是說，Voorspoed 鉆石中的微小包裹體暗示了俯沖、地幔氧化還原動態(tài)與巖漿生成之間的大規(guī)模聯(lián)系，這些巖漿塑造了大陸并將鉆石帶到地表。

鉆石作為地幔的見證

這項研究強調(diào)了鉆石的科學(xué)價值不僅僅是作為寶石。它們的包裹體——無論是納米級合金還是高壓礦物——提供了我們腳下數(shù)百公里深處條件的自然記錄之一。

Kempe 和 Weiss 的工作標(biāo)志著一個里程碑：首次自然確認(rèn)理論預(yù)測的鎳豐富合金在地幔深處的存在，以及生動展示了地球的氧化還原環(huán)境是如何通過熔融巖石的相互作用而演變的。

隨著研究人員不斷探測這些礦物時間膠囊，我們可能會發(fā)現(xiàn)，曾經(jīng)象征永恒的鉆石，實際上也是變化的講述者——見證了地幔中隱藏的化學(xué)成分以及那些繼續(xù)塑造我們動態(tài)星球的過程。

更多信息： 鎳豐富鉆石包裹體記錄的深上地幔氧化還原狀態(tài)，《自然地球科學(xué)》 (2025)。 DOI: 10.1038/s41561-025-01791-4。